數(shù)字電源淺析之三：為系統(tǒng)帶來哪些好處

PMBus可以為交直流電源和DC/DC變換器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來好處。它可以為復(fù)雜的電子系統(tǒng)帶來性能上的好處，這些系統(tǒng)采用分布式電源結(jié)構(gòu)，具有許多負(fù)載點(diǎn)(POL)非隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。將PWM控制器、電感器、功率Mosfet和無源器件集成在一個(gè)小封裝中，實(shí)現(xiàn)高效率的功率轉(zhuǎn)換，功率模塊集成電路可以為用戶帶來多項(xiàng)益處。下面的討論從先進(jìn)能源工業(yè)(Advanced Energy Industries)的Excelsys部門、ADI和瑞薩電子提出的三種不同觀點(diǎn)，說明了使用PMBus通信的數(shù)字功率轉(zhuǎn)換器的好處。

交直流電源產(chǎn)品生命周期保證

在開發(fā)新的電子系統(tǒng)時(shí)，先進(jìn)能源工業(yè)公司的Excelsys部門發(fā)現(xiàn)，PMBus在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中對概念開發(fā)、設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、生產(chǎn)、維護(hù)甚至預(yù)防器件老化都是有益的。在概念階段，當(dāng)測試電源的可行性時(shí)，PMBus可以支持電壓和電流的快速迭代，這些電壓和電流可以動(dòng)態(tài)改變，使設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地靈活記錄不同的配置和結(jié)果。

Excelsys 1kW無風(fēng)扇模塊化AC/DC電源，帶PMBus通信(圖片：Excelsys)

在確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，PMBus支持電源配置和所需余量的設(shè)置。這使得在PMBus上對每個(gè)設(shè)備進(jìn)行峰值測量變得很容易，包括電機(jī)啟動(dòng)和設(shè)備循環(huán)期間的讀數(shù)。它還支持測量低電壓和低電流條件下的轉(zhuǎn)換性能。

在設(shè)計(jì)定型和調(diào)試過程中，PMBus可檢查各種負(fù)載的順序，測量工作裕度，檢查超溫運(yùn)行，可用于探索裕度和排序定時(shí)的可能改進(jìn)，并可幫助識(shí)別任何過載或超出規(guī)范/公差的條件。

在從生產(chǎn)到維護(hù)的產(chǎn)品生命周期中，以及在老化階段，PMBus可以提供多種好處。在生產(chǎn)過程中，PMBus可用于生產(chǎn)線末端測試，以驗(yàn)證配置是否正確構(gòu)建。它可以測量生產(chǎn)過程中的可變性，并幫助確定替代部件，檢查是否改變了操作參數(shù)，并有助于確保產(chǎn)品的一致性。

在電源的使用壽命期間，PMBus可用于監(jiān)控系統(tǒng)并確保其繼續(xù)在規(guī)范范圍內(nèi)運(yùn)行。它可以幫助監(jiān)控老化的早期跡象，并確定預(yù)防性維護(hù)的需求，從而降低擁有成本。在產(chǎn)品壽命結(jié)束時(shí)，PMBus可以提供所需的數(shù)據(jù)來預(yù)測何時(shí)會(huì)發(fā)生老化，并支持在災(zāi)難性故障發(fā)生之前及時(shí)更換電源。

分布式電源體系結(jié)構(gòu)中的數(shù)字用電模型

ADI對兩種常見的數(shù)字用電模式進(jìn)行了比較：

配置和部署

監(jiān)控和運(yùn)行

PMBus最重要的命令集之一是用于存儲(chǔ)和恢復(fù)操作存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器之間的設(shè)置。當(dāng)與用于更改操作內(nèi)存(行為)的命令結(jié)合使用時(shí)，它們支持Configure and Deploy使用模型。

配置和部署

大多數(shù)PMBus產(chǎn)品的制造商都有一個(gè)GUI工具，可以通過PMBus與其產(chǎn)品進(jìn)行通信?；镜氖褂媚Ｊ绞桥渲每偩€上PMBus設(shè)備的所有寄存器，并將它們的值存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。然后，當(dāng)系統(tǒng)通電或復(fù)位時(shí)，所有設(shè)備在啟動(dòng)期間從非易失性存儲(chǔ)器加載數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

這個(gè)模型的基本優(yōu)點(diǎn)是它的簡單性。工具可以通過數(shù)據(jù)、模板和項(xiàng)目重用來減少PMBus配置的復(fù)雜性。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是成本較低，因?yàn)椴恍枰邦~外”器件來管理總線。

該模型的缺點(diǎn)是失去了PMBus在正常運(yùn)行期間的所有能力。在異常情況下，如故障時(shí)，所有設(shè)備必須自主反應(yīng)，但靈活性有限，不能協(xié)調(diào)。重置時(shí)也是如此。所有設(shè)備必須自動(dòng)啟動(dòng)。為了克服這一限制，許多設(shè)備都有額外的IO引腳，允許設(shè)備在沒有PMBus的情況下進(jìn)行通信。一種常見的方法是在設(shè)備之間使用漏極開路信號。通常有三個(gè)引腳：

同步/運(yùn)行/GPIO

LTM4675μ模塊調(diào)節(jié)器，帶有同步、運(yùn)行和GPIO引腳以及用于數(shù)字電源管理的PMBus接口。(圖片：ADI)

同步管腳用于在復(fù)位時(shí)建立公共時(shí)鐘。這允許對開/關(guān)事件進(jìn)行精確的時(shí)間校正。運(yùn)行引腳允許所有設(shè)備同時(shí)復(fù)位，無論是從外部，還是從設(shè)備本身。GPIO通常是故障輸出和故障輸入。這允許一個(gè)設(shè)備的故障傳遞到其他設(shè)備。這些管腳不是PMBus規(guī)范的一部分，但卻是配置和部署模型中重要的系統(tǒng)工作。

監(jiān)控和運(yùn)行

最靈活的使用模式要求PMBus控制器在系統(tǒng)運(yùn)行期間處于活動(dòng)狀態(tài)。警報(bào)引腳通常連接到控制器上的中斷引腳。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制器通過獲取故障設(shè)備的地址、通過PMBus查詢條件、采取措施糾正問題或關(guān)閉電壓軌來對中斷做出反應(yīng)。

控制器也用于遙測。這些數(shù)據(jù)可用于預(yù)測故障、測量功耗或調(diào)試罕見故障?？刂破鬟€將在復(fù)位時(shí)設(shè)置所有電壓軌。

監(jiān)控和運(yùn)行模型具有很高的靈活性，但開發(fā)更為復(fù)雜。如果軟件可以在多個(gè)設(shè)計(jì)中復(fù)用，則可以將開發(fā)成本降至最低，但增加的硬件成本仍將是一個(gè)考慮因素。

數(shù)字電源與PMBus的系統(tǒng)效益

10A和15A PMBus DC/DC電源模塊(圖片：Renesas Electronics)

數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和基站的配電系統(tǒng)通常需要許多電壓軌，這些電壓軌需要對其他軌道進(jìn)行排序或跟蹤，以使微處理器、微控制器、ASIC、FPGA和任何其他數(shù)字邏輯IC正確運(yùn)行。使用支持PMBus的集成DC/DC電源模塊可以為這些復(fù)雜系統(tǒng)帶來幾個(gè)好處：

支持智能電源管理以最大限度地提高系統(tǒng)性能

使用支持SMBus和PMBus的設(shè)備進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，提供了傳統(tǒng)模擬電源系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的靈活性和控制。通過使用數(shù)字電源，可以通過SMBus和PMBus協(xié)議對主機(jī)控制器輕松地管理輸出電壓的調(diào)整、功率排序和多個(gè)電壓軌的同步。

此外，對于系統(tǒng)監(jiān)控，數(shù)字電源解決方案提供了多種應(yīng)對故障的方法。過流、欠流、過電壓、欠壓和過溫故障和警告閾值可以在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中配置和調(diào)整?？蓪?shí)現(xiàn)監(jiān)測工作溫度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇，以降低系統(tǒng)功耗。

縮短系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)在各個(gè)階段的發(fā)展，設(shè)計(jì)可能會(huì)發(fā)生變化，包括增加電源軌、增加電流或要求更嚴(yán)格的瞬態(tài)響應(yīng)。通常這需要重新設(shè)計(jì)配電系統(tǒng)，但是使用數(shù)字電源，可以使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SMBus輕松地將新的電壓軌添加到電源管理系統(tǒng)中。新電壓軌被整合到具有監(jiān)控、排序、邊緣和故障檢測方案中。新電壓軌的數(shù)字電源IC具有自己的SMBus地址，沒有必要重新編程或添加更多的獨(dú)立電源管理集成電路。

數(shù)字電源使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠減少他們在電源系統(tǒng)上的開發(fā)時(shí)間，集中精力設(shè)計(jì)關(guān)鍵的產(chǎn)品特性和功能，從而減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本。

降低系統(tǒng)BOM成本，同時(shí)提高可靠性和產(chǎn)品壽命

使用數(shù)字電源，許多系統(tǒng)管理和電源控制功能可以通過固件來實(shí)現(xiàn)，而不是使用額外的模擬和電源控制器件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以對每個(gè)電壓軌使用相同的器件，并且可以在不必更改硬件的情況下更改設(shè)備的操作，因此，可以降低BOM成本。此外，使用較少的組件和數(shù)字管理的保護(hù)功能，系統(tǒng)還可以具有更高的可靠性和更長的壽命。

在同一機(jī)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品升級

對高速數(shù)據(jù)、語音和視頻通信的日益增長需求，促使數(shù)據(jù)通信和電信服務(wù)供應(yīng)商要用更快、更可靠、功能更豐富的產(chǎn)品升級其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。雖然速度和系統(tǒng)功能有所提高，但可用空間有限。這意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要在電路板上增加更多的功能電路的同時(shí)，減少電源占用的面積。有了數(shù)字電源，許多電源監(jiān)控和功率順序控制功能可以很容易地用固件實(shí)現(xiàn)。結(jié)果就是減少了用于電源功能的PCB面積，并且可以在同一個(gè)板區(qū)域中添加更多的功能IC。